电工电子测量电子教案6-8章

宋悦孝主编张伟主审

电子测量与仪器（第2版）电子教案高等职业教育电子信息类贯通制教材（电子技术专业）第6章电子元器件测量与仪器知识要点：集中参数元件的等效集中参数元件的测量方法、工作原理电桥、Q表、晶体管特性图示仪的组成及使用。6.1概述集中参数元件：当元器件的几何尺寸远小于工作信号波长时，电阻、电容、电感主要表现出与之名称相符的阻抗特性。集中参数器件：晶体三极管、场效应管等表现为各自的基本特性。集中参数元件的测量内容：对电阻值、电容量、电感量、电感品质因数和电容损耗因数的测量。集中参数器件的测量内容：对晶体三极管、场效应管等特性曲线的显示与有关参数的测量。1.电阻器的等效实际电阻器的等效：纯电阻R与寄生电感LR串联。2.电容器的等效实际电容器的等效：串联损耗电阻RCS与纯电容C串联；或者并联损耗电阻RCP与纯电容C并联。损耗因数Dx的定义：

Dx=tanδ=RCS/XC=ωCRCSDx=tanδ=XC/RCP=1/ωCRCP

图6.1实际电阻器的等效电路RLR（a）（b）C图6.2实际电容器的等效电路RCSCRCP3.电感器的等效实际电感器的等效：串联损耗电阻RLS与纯电感L串联；或者并联损耗电阻RLP与纯电感L并联。品质因数Q的定义：

Q=XL/RLS=ωL/RLSQ=RLP/XL=RLP/ωL集中参数元件测量方法：伏安法、电桥法和谐振法三种。图6.3实际电感器的等效电路（a）（b）RLSLRLPL6.2伏安法及数字化测量

6.2.1伏安法原理依据：欧姆定律。特点：使用方便，测量精确度差，适用于低频测量，较适合测量直流电阻。工作原理：忽略电压表、电流表内阻影响的情况下，存在关系：Z=U/I测量直流电阻时，电源为直流电源，则R=U/I。测量电容或电感时，电源为交流电源，存在关系：在忽略损耗电阻影响的情况下，存在关系：XL=ωL

；(6–1)结论1：被测电感或电阻较大，以及被测电容较小时，适合采用电流表内接法测量；反之，适合采用电流表外接法测量。结论2：测量电感或电容时，如保持U、I、ω中两个参数不变，只改变剩余的一个参数，可以实现电感或电容的直接测量。图6.4伏安法测量原理图（a）（b）AV电源ZAV电源Z返回6.2.2阻抗的数字化测量

原理步骤：用正弦信号在阻抗两端产生交流电压;分离电压实部和虚部;用电压数字化测量实现。

1.电感元件的测量左半部分为阻抗–电压变换部分；两个同步检波器实现实部、虚部分离；峰值检波器实现交–直流电压变换，并提供基准电压Ur。U1、U2、Ur均被送到电压表双积分式A/D变换器。图6.5电感–电压变换器ur–∞++运放同步检波器ur峰值检波器R1RxLxuoU1U2Ur同步检波器jur

Urcosωt阻抗–电压变换结论：因为Ur、R1均为常数，只要利用双积分式数字电压表测出U1、U2来，即可换算出Rx、Lx及Qx的大小来。2.电容元件的测量U2=–R1UrωCx图6.6电容—电压变换器–∞++运放urR1RxCxUo3.LCR参数测试仪分析得知：（Ω）（S）结论：只要先测出和，再把和同步整流并分解出实部和虚部，计算出上式中R、X、G、B后，即可以数字形式显示出被测元件R、L、C、D、Q等参数。–∞++运放f正弦

+–+–

图6.7LCR参数测试仪原理图6.3电桥法测量集中参数元件原理：电桥平衡条件平衡电桥分类：直流电桥和交流电桥。特点：工作频率较宽，测量精度较高，可达10–4，比较适合低频阻抗元件的测量。6.3.1交流电桥1.工作原理组成：桥体、电源及平衡指示器。平衡条件为：

即：(6–2)φx+φ2=φ1+φ3(6–3)图6.8交流电桥PZ1Z2Z3ZxIPG结论1：要使交流电桥完全平衡，必须同时满足振幅平衡条件和相位平衡条件。所以相邻两桥臂为纯电阻时，另两个桥臂应呈现同性电抗；相对桥臂为纯电阻时，另一相对桥臂应呈现异性电抗；两个桥臂由纯电阻构成时，呈现电抗特性的桥臂须由标准可调电阻和电抗件构成，该电抗件一般选用标准可调电容。设Z1、Z2为纯电阻R1、R2时，满足关系：分类：臂比电桥（相邻桥臂为纯电阻，适合测量电容），臂乘电桥（相对桥臂为纯电阻，适合测量电感）。结论2：交流电桥的电源必须为纯正弦波交流电源；否则，会使电桥产生假平衡，从而产生很大误差。为了提高测量精确度，IP要经过选频放大器放大、检波器检波后送入检流计。为了减小杂散耦合的影响，电桥各部分之间要良好屏蔽。即使采取以上措施，交流电桥也仅适合在音频或低射频段使用；否则，由于高频段所用的高频电源本身也是干扰源，而且高频段要求的屏蔽效果难以达到，所以交流电桥不适合在高频段测量。2.QS18A型万用电桥（1）组成：桥体、信号源和晶体管检流计。（2）测量电容（图6.12）（3）测量电感（图6.13）

Lx=R1R2C3

Qx=ωC3R3（4）使用方法图6.14QS18A型万用电桥面板结构图μA读数内1kHz外456789111012123返回QS18A型万用电桥的使用方法：将被测元件接到“被测元件接线柱”，拨动电源选择开关至“内1kHz”位置。如用外部电源，将外部电源接到“外接”，拨动电源选择开关至“外”的位置。将测量选择开关旋至“C”、“L”、“R≤10”或“R＞10”处。估计被测量的大小，选择量程开关的位置。按照表6-1选择合适的损耗倍率选择开关挡位。调整灵敏度调节旋钮使指示电表读数由小逐步增大。反复调节读数盘和损耗平衡旋钮，并逐步提高指示电表的灵敏度直至电桥平衡。电桥平衡时，满足关系Lx（或Cx）=量程开关指示值×电桥读数盘示值Qx（或Dx）=损耗倍率指示值×损耗平衡盘指示值6.3.2不平衡电桥定义:

依据电桥平衡条件进行测量的电桥。特点：操作简便、测量时间短、易实现数字化测量。1.测量电阻（图6.15）满足关系：R2RRRRRXABCDUABUBDR1R1R3R3R2R4R4Uo除法电路DVM图6.15新型不平衡电桥测量电阻电路EUABUBD∞运放1–++∞运放2–++推导得知：

（6–6）2.测量电感、电容不平衡电桥测量电感电路与图6.15相似，用标准电感L、被测电感Lx代替标准电阻R和被测电阻Rx。测量电容时，分别用标准电容C、被测电容Cx代替R和Rx。测量电感、电容时，用交流电源代替直流电源。测量电感、电容时存在关系:6.4谐振法测量集中参数元件原理：LC谐振回路谐振特性。特点：谐振法高频段的测量结果比较可靠。6.4.1

Q表的组成及工作原理定义：谐振法构成的测量仪器。测试功能：电容量、电感量、电容损耗因数与电感品质因数。组成：测量回路、信号源、耦合回路及Q值电压表。图6.16Q表工作原理图信号源耦合回路Q值电压表LxR+–Us测量回路CsμAR2R11234IoI各组成部分的作用：信号源：信号源为正弦波信号源，其振荡频率范围即为Q表工作频率范围。耦合回路：耦合回路用于将信号源输出的信号耦合到测量回路，有电感耦合、电容耦合和电阻耦合等方式。耦合电阻又称为插入电阻。Q值电压表：即Q值刻度的电压表，用于指示Q值大小。当Q值电压表指示最大时，测量回路处于谐振状态。测量回路：由电感、电容及回路等效损耗电阻R组成。如果测量回路处于谐振状态，存在关系：UL＝–UC，XL=XC，Us＝IR＝IoR2

（6–7）当测量电感时，被测电感的品质因数QL为QL≈

=QP当测量电容时，标准电感接入1、2，被测电容接入3、4。被测电容的损耗因数DC为DC≈

=

6.4.2测量电感1.串联替代法测量步骤：将1、2端短接，调节Cs到较大电容C1位置，改变信号源频率使回路谐振，设谐振频率为f0，此时满足：

（6–8）去掉短路线，将Lx接入回路，保持f0不变，调节Cs至C2使回路重新谐振，此时满足（6–9）Lx图6.17串联替代法测量电感原理图M1234CsL信号源V返回求解式（6–8）和式（6–9）组成方程组，得到2.并联替代法测量步骤：不接入Lx，调小Cs为C1，改变信号源频率使回路谐振，设谐振频率为f0，此时满足（6–10）将Lx接至3、4端，保持信号源频率f0不变，调节Cs至C2使回路重新谐振，此时满足:（6–11）求解式（6–10）和式（6–11）组成的方程组，得到：6.4.3测量电容1.串联替代法测量步骤：将1、2端短接，调小Cs为C1，改变信号源频率使测量回路谐振，设谐振频率为f0。去掉短路线，将Cx接至1、2端，保持f0不变，调节Cs至C2使测量回路重新谐振。上述两步，测量回路中的电感以及前后两次的谐振频率未变，故2.并联替代法测量步骤：不接入Cx，调大Cs为C1，改变信号源频率使测量回路谐振，设谐振频率为f0。将Cx接至3、4端，保持信号源频率f0不变，调节Cs至C2使测量回路重新谐振。上述两步，测量回路中的电感以及前后两次的谐振频率未变，故C1=C2+CxCx=C1－C26.4.4Q表实例及使用方法图6.18QBG-3型Q表面板图主调电容度盘Cx接线柱Lx接线柱开定位零位校直Q值范围Q值零位校直Q×1定位表定位细调定位粗调波段开关频率旋钮pFL、f对照表微调CLQ值返回1.测量准备先对定位表和Q值表机械调零，然后将定位粗调逆时针调到底，将“定位零位校直”和“Q值零位校直”置于中间，“微调（电容）”调到零，开机预热10min。2.电感线圈Q值的测量将Lx接到Lx接线柱上；调节频率旋钮及波段开关至测量所需的频率点；选择合适Q值挡级；调节“定位零位校直”旋钮使定位表指示为零，调节定位粗调及定位细调旋钮使定位表指针指到“Q×1”处；调整主调电容度盘远离谐振点，再调节“Q值零位校直”使Q值表指针指在零点上，最后调解主调电容度盘和微调旋钮使回路谐振（Q值表指示最大），则Q值表示值即为被测线圈的Q值。3.电感量的测量首先估计一下被测线圈的电感量，按照表6-2选出对应频率，再调节波段开关及频率旋钮使信号源频率达到所需频率值；将“微调”置于零点，调节主调电容度盘使Q值表指示最大。此时，被测线圈的电感量等于主调电容度盘上读出的电感值乘以L、f、倍率对照表中的倍率。4.线圈分布电容的测量将主调电容度盘调至某一适当电容值上，记为C1；再调节波段开关及频率旋钮使Q值表指示最大；重新调节波段开关、频率旋钮使信号源频率为f1的两倍，然后调节主调电容度盘使Q值表指示最大，记为C2。则C0的计算式为：C0=(C1–4C2)/35.电容量的测量（1）小于460pF电容的测量采用并联替代法测量。从Q表附件中选取一只电感量大于1mH的标准电感接至Lx接线柱，将“微调”调到零，主调电容度盘调至最大（500pF），记为C1；然后调节“定位零位校直”和“Q值零位校直”旋钮使定位表及Q值表指示为零，再调节定位粗调及定位细调旋钮使定位表指针指在“Q×1”处；最后调节频率旋钮及波段开关，使Q值表指示最大。将被测电容接至Cx接线柱，重新调节主调电容度盘使Q值表指示最大，设电容度盘读数为C2，则被测电容Cx的计算式为：Cx=C1–C2（2）大于460pF电容的测量采用串联替代法测量。将标准电感接至Lx接线柱，调节主调电容度盘，使Q值表指示最大，设电容读盘读数为C1；取下标准电感，将其与被测电容串联后再接于Lx接线柱上，重新调节主调电容度盘使Q值表指示再次达到最大，设电容度盘读数为C2。则6.电容损耗因数的测量首先将主调电容度盘调至500pF，记为C1，将大于1mH的标准电感接至Lx接线柱，调节波段开关及频率旋钮使Q值表指示最大，设它的读数为Q1；然后将被测电容并接于Cx接线柱上，调小主调电容度盘至某值，设为C2，重调信号源频率使Q值表再次指示最大，设读数为Q2，则损耗因数Dx为：7.注意事项在使用Q表测量过程中应注意，被测元件不能直接放在仪器顶板上，要加一块高频损耗小的如聚乙烯之类的衬垫板；被测元件接线要短且接触良好；被测元件的屏蔽罩要接到低电位接线柱上。6.5

晶体管特性图示仪及应用用途：显示各种晶体三极管、场效应管等的特性曲线，并据此测算器件各项参数。特点：用途广泛、直接显示、使用方便、操作简单。6.5.1晶体管特性图示仪的组成逐点测量法示意图：VAVARBRCECEBIB0=0IB1IB2IB3IB4uCE(t)iC(t)0（b）（a）图6.19晶体三极管输出特性曲线及逐点测量法示意图测量方法：动态测量法，逐点测量法是其测量原理基础。功能：能够提供测试过程所需的各种基极电流IB。每一个固定IB期间，集电极电源EC作相应改变。能够及时取出各组uCE及iC值送显示电路。组成：阶梯波发生器、集电极扫描信号源、测试变换电路、控制电路、示波管等。基极电阻RBRC

C阶梯波信号源B图6.20晶体管特性图示仪组成框图RS

E集电极扫描信号源Y轴放大器取样电阻功耗限制X轴放大器X–Y图示仪iBiCiEiCuY(t)返回各组成部分的功能：阶梯波信号源：提供测试所需的各种基极阶梯电压或电流IB。集电极扫描信号源：在每一个固定IB期间，集电极扫描信号源使集电极电压uCE(t)作相应改变。X放大器和Y放大器：对取自被测器件上电压信号进行放大，然后送示波管X、Y板形成扫描曲线。测试变换电路：使晶体管基极电压、电流和阶梯波、集电极扫描电压的极性按不同要求而改变，并选择合适的显示信号送至X、Y偏转板。控制电路：完成集电极扫描信号源与阶梯波信号源的同步等。

uCE(t)iC(t)uCE(t)IBttt1t2t3t4t51234

t1t2（a）（b）（c）（d）图6.21晶体管特性图示仪各点波形图6.22脉冲阶梯波返回同步类型：集电极扫描电压（uCE(t)）与uY(t)被放大后，分别加到X、Y偏转板上得到图6.21（c）所示的输出特性曲线。图6.21中的、分别对应，箭头表明了得到输出特性曲线的扫描方向，特性曲线自下而上分别与图6.21（b）中的1～4相对应，描绘曲线的速率为每秒100条，二者的同步关系称为上100级/秒（每秒100个台阶），如图6.23（a）所示。TC为扫描信号源周期、TB为阶梯波周期，改变二者的时间关系可以得到不同的曲线，图6.23（b）、图6.23（c）所示的同步关系称为200级/秒（每秒200个台阶）、下100级/秒。12uCE(t)0tTBTC（a）IB0tTB/2TC/2（b）IB0t（c）TBIB0t图6.23晶体管特性图示仪的三种同步关系返回6.5.2阶梯波信号源组成：阶梯波形成级、阶梯波放大器等。工作原理：50Hz正弦波经移相、整流送入脉冲形成级，经限幅放大变为窄脉冲，阶梯波形成级在开关电路控制下产生阶梯波电压输出，再经过阶梯波放大器放大输出所需的阶梯波电压，或者根据需要由阶梯波放大器输出放大的阶梯波电流。阻容移相器整流器脉冲形成级阶梯波形成级阶梯波放大器开关电路图6.24阶梯波信号源组成框图实例（图6.25）：当S断开时，输入负脉冲Ui经电路输出阻抗Zo、VD2对电容C2充电，Uo=UC2。当第一个脉冲到来时，C2的充电电源为Ui，C2上充电ΔU1=

；第二个脉冲到来时，充电电源为Ui+ΔU1，由于C2上已有电压ΔU1，所以净充电源仍为Ui，同理，以后各次充电均如此，输出端得到正向均匀阶梯波电压，调节C1、C2可调节台阶大小。当S闭合时，电容C2迅速放电，电路无输出，当再次断开S时，阶梯波完成一个重复周期。开关S周期性闭合即可得到周期性的阶梯波。–

∞

++运放SC2

+UC2C1+VD1VD2UoUi++–－图6.25密勒积分型阶梯波形成电路UA+–Zo返回XJ4810型半导体管特性图示仪+–

10V50V100V500VAC集电极电源峰值电压%功耗限制电阻Ω电容平衡辅助电容平衡增益拉出×0.1YXmAICIRA外接UCE外接电流/度电压/度变换校准阶梯信号级/簇调零010kΩ1MΩ串联电阻mA电压–电流/级+–重复关单簇按101增益U图6.26XJ4810型半导体图示仪面板图拉–电源开峰值电压范围极性移位移位极性显示UBEμAμAμA6.5.3晶体管特性图示仪的使用1.XJ4810型晶体管特性图示仪的面板结构返回各开关旋钮的作用：（1）电源及示波管控制部分：聚焦、辅助聚焦、辉度及电源开关。（2）集电极电源“峰值电压范围”按键

：选择集电极电源最大值。“峰值电压%”旋钮：使集电极电源在确定的峰值电压范围内连续变化。“+、–”极性选择按键

:按下时集电极电源极性为负，弹起时为正。“电容平衡”、“辅助电容平衡”旋钮:当Y轴为较高电流灵敏度时，调节两旋钮使仪器内部容性电流最小，使荧光屏上的水平线基本重叠为一条。“功耗限制电阻”旋钮:该旋钮用于改变集电极回路电阻的大小。测量被测管的正向特性时应置于低电阻挡，测量反向特性时应置于高阻挡。（3）Y轴部分“电流/度”旋钮:测量二极管反向漏电流IR及三极管集电极电流IC的量程开关。“移位”旋钮：

除作垂直移位外，兼作倍率开关，拉出时，指示灯亮，Y轴偏转灵敏度为原来的1/10。“增益”旋钮

：调整Y轴放大器的总增益。（4）X轴部分“电压/度”旋钮：UCE及UBE的量程开关。“增益”旋钮

：调整X轴放大器的总增益。（5）显示部分“变换”按键

：同时变换集电极电源及阶梯信号的极性，简化NPN型管与PNP管测试时的操作。“⊥”按键：按下时，可使X、Y放大器的输入端同时接地，以确定零基准点。“校准”按键

：校准X轴及Y轴放大器增益。（6）阶梯信号“电压–电流/级”旋钮:确定每级阶梯电压或电流值。“串联电阻”开关：改变阶梯信号与被测管输入端之间所串接的电阻大小，但只有当电压–电流/级开关置于电压挡时，本开关才起作用。“级/簇”旋钮：调节阶梯信号一个周期的级数，可在1～10级之间连续调节。“调零”旋钮：调节阶梯信号起始级电平，正常时该级为零电平。“+、–”极性按键：确定阶梯信号的极性。“重复–关”按键

：弹起时，阶梯信号重复出现；按下时，阶梯信号处于待触发状态。“单簇按”按钮

：阶梯信号处于调节好的待触发状态时，按下该按钮，指示灯亮，阶梯信号出现一次，然后又回至待触发状态。（7）测试台部分“左”、“右”按键

：按下时，接通左边、右边的被测管。“二簇”按键

：按下时，自动交替接通左、右两只被测管，此时可同时观测到两管的特性曲线，以便对它们进行比较。“零电压”、“零电流”按钮

：按下时，分别将被测管的基极接地、基极开路，后者用于测量ICEO、BUCEO等参量。CBEIRCBEGCBEGCBECBECBE零电压零电流左二簇右测试选择图6.27XJ4810型晶体管特性图示仪测试台面板图2.使用方法与注意事项（1）使用方法开启电源，指示灯亮，预热15min后使用。调节辉度、聚焦、辅助聚焦等旋钮，使屏幕上的亮点或线条清晰。X、Y灵敏度校准。将峰值电压%旋钮选为0，屏幕上的亮点移至左下角，按下显示部分中的校准按键开关，此时亮点应准确地跳至右上角。否则，应调节X轴或Y轴的增益旋钮来校准。阶梯调零。当测试中要用到阶梯信号时，必须先进行阶梯调零。（2）注意事项注意阶梯信号选择、功耗限制电阻、峰值电压范围旋钮的使用，如果使用不当会损坏被测晶体管。测试大功率晶体管和极限参数、过载参数时，应采用单簇阶梯信号，以防过载损坏被测器件。测试MOS型场效应管时，注意不要使栅极悬空，以免感应电压过高击穿被测管。测试完毕后，使仪器复位，以防下次使用时因疏忽而损坏被测器件。此时应将“峰值电压范围”置于（0～10V）挡，“峰值电压％”旋到零位，阶梯信号选择开关置于关挡，“功耗限制电阻”置于10kΩ以上位置。6.5.4晶体管特性图示仪特性曲线测试举例1.二极管特性曲线的测试（图6.28）将二极管的正极和负极分别插入C、E两个接线端即可。测正向特性时加正极性扫描电压，测反向特性时加负极性扫描电压。集电极扫描电压接至X轴，RS上的取样电压接至Y轴，则可显示出相应的特性。为了能显示出二极管的正反向特性，把未扫描时亮点调至显示屏的中心位置，扳动扫描电压极性开关则可分别显示出正反向特性曲线。Y放大器X放大器RCRSX偏转板Y偏转板VD图6.28二极管特性曲线测试原理图2.三极管特性曲线的测试（1）输出特性曲线测试选择集电极扫描电压、基极阶梯信号的极性及扫描电压的峰值电压范围，Y轴作用开关置于“集电极电流”某合适挡位，X轴作用开关置于“集电极电压”某合适挡位；基极接入连续阶梯或脉冲阶梯波，“阶梯选择”置于阶梯电流某合适位置，“功耗限制电阻”选取合适数值，插入被测三极管，加大集电极扫描电压，即可显示出输出特性曲线。（2）输入特性曲线的测试（图6.29）Y轴作用开关置于“基极电流或基极源电压”，“X轴作用”置于“基极电压”某合适挡位，阶梯电流iB及扫描电压uCE的调节方法同上。3.场效应管特性曲线的测试（1）漏极特性曲线的测试（图6.30）场效应管iD和uDS的选择与一般晶体管的iC、uCE相似。X放大Y放大RBX偏转板Y偏转板图6.29晶体三极管输入特性曲线测试原理图放大器RCuBEiB返回（2）场效应管转移特性曲线测试（图6.31）将X放大器接到栅极（即“电压/度”置于“uBE”挡）。由于阶梯电压加在X轴方向，在屏幕上形成许多上端有亮点的竖线，如图6.32所示。由亮点连接起来的曲线即为转移特性曲线。Y放大X放大RCY偏转板X偏转板图6.30场效应管漏极特性曲线测试原理图iDRFuDSuGS返回Y放大X放大RCY偏转板X偏转板图6.31场效应管转移特性曲线测试原理图iDRFuGSUP0UGSiD图6.32场效应管转移特性曲线图返回返回第7章频率和时间测量与仪器知识要点：通用电子计数器的组成与测量原理电子计数器误差的来源及减小措施通用电子计数器的使用方法与扩频方法数字相位计的工作原理。7.1概述周期定义：周期现象时间间隔。频率定义：在单位时间内周期性过程重复、循环或振动的次数。频率测量方法：电容充放电法利用电子电路控制电容器充放电的次数，再用磁电式仪表测量充、放电电流的大小而测得被测信号频率。表7-1频率测量方法模拟法无源测频法谐振法电桥法频率–电压变换法比较法拍频法差频法示波器法计数法电容充放电法电子计数法7.1.1无源测频法分类：谐振法、电桥法、频率–电压变换法。1.谐振法fx的计算为：2.电桥法测频电桥种类：文氏电桥、谐振电桥和双T电桥。图7.2结论：图7.1谐振法测频原理VLCMfx图7.2文氏电桥测频原理图（b）fxR3R4R1R2C2C1（a）返回3.频率–电压变换法结论：Uo=脉冲形成单稳多谐振荡器积分ux(t)(fx)ABUoUoτUmuB(t)tttux(t)uA(t)TxTx（b）（a）图7.3频率–电压变换法测频原理图7.1.2比较测频法1.拍频法2.差频法耳机fsfx（a）示波器（b）图7.4拍频法测频原理VfxV混频滤波放大fs图7.5差频法测频原理耳机7.2电子计数器概述

7.2.1分类分类：通用电子计数器：测量频率、频率比、周期、时间间隔及累加计数、自检功能。频率计数器：测量高频和微波频率。计算计数器：带有微处理器、能进行数学运算、求解复杂方程式等功能。特种计数器：具有特殊功能。7.2.2基本组成组成：输入通道、计数显示电路、时基产生电路和逻辑控制电路等。A输入通道闸门十进制计数显示门控电路逻辑控制电路B输入通道测频累加计数测时间倍频器晶振分频器时标选择时基产生电路周期倍乘选择人工触发功能变换图7.6通用电子计数器的组成框图返回1.输入通道分类：A、B通道。A通道：对输入信号放大整形、变换输出计数脉冲信号。B通道：控制闸门的开启和关闭。2.计数显示电路3.时基产生电路组成：晶振、分频器、倍频器和转换开关等。功能：测周时，标准信号经放大整形和倍频（或分频）用作测周期或时间的计数脉冲；测频时，标准信号经过放大整形和一系列分频得到用作控制门控电路的时基信号，时基信号经过门控电路形成门控信号。4.逻辑控制电路功能：产生各种控制信号控制电子计数器各单元电路的协调工作。7.2.3主要性能指标1.测试功能2.测量范围3.输入特性输入耦合方式触发电平及其可调范围输入灵敏度最高输入电压输入阻抗输入阻抗包括输入电阻和输入电容。4.测量准确度5.闸门时间和时标6.显示及工作方式显示位数显示时间显示器件显示方式：记忆显示和非记忆显示。记忆显示只显示最终结果，不显示正在计数的过程。非记忆显示方式时，还可显示正在计数的过程。7.输出7.3通用电子计数器的测量功能

7.3.1测量频率结论：N=KfTsfx

fs=1/Ts放大整形电路闸门十进制计数器门控电路分频器晶振fxKfTsKfTs显示器TsTxKfTsTx图7.7通用电子计数器测频原理框图推论：N=mKfTsfx为了使N值能够直接表示fx，常取mKfTs=1ms、10ms、0.1s、1s、10s等几种闸门时间。即当闸门时间为1×10ns（n为整数），并且使闸门开启时间的改变与计数器显示屏上小数点位置的移动同步时，无需对计数结果进行换算就可直接读出测量结果。7.3.2测量周期结论：

N=mKfTx/TsKfTx放大整形电路闸门计数显示门控电路倍频器(m)晶振TxTxfs=1/Ts分频器(1/Kf)KfTx图7.8通用电子计数器测周原理框图Ts/mKfTxTs/m7.3.3测量频率比结论：TB=NTAN=TB/TA=fA/fBTB=1/fB放大整形电路B闸门计数显示门控电路放大整形电路AfA=1/TATB图7.9通用电子计数器测量频率比原理框图TATBTAfA（B通道）（A通道）fB推论1：为了提高测量准确度，可以采用类似多周期测量的方法，在B通道增加分频器，对fB进行Kf次分频，使闸门开启时间扩展Kf倍。则有：KfTB=NTAfA/fB=TB/TA=N/Kf推论2：当对fA再进行m次倍频，用mfA作为时标信号时，存在关系：KfTB=NTA/mfA/fB=N/(mKf)7.3.4累加计数

开关S打在“启动”位置时，闸门开启，计数脉冲进入计数器计数；开关S打在“终止”位置时，闸门关闭，终止计数，累加计数结果由显示电路显示。启动闸门计数显示门控电路放大整形电路A图7.10通用电子计数器累加计数原理框图TATA输入信号A终止（A通道）启动终止S7.3.5测量时间间隔+触发器1闸门计数显示门控电路倍频器（m）TsTAB图7.11通用电子计数器测量时间间隔原理框图Ts/mTABTs/m晶振TA起始触发器终止触发器触发器2-+-单独公共TBS1S2S3触发极性测量原理：与测量周期的原理相似，不过控制闸门启闭的是两个（或单个）输入信号在不同点产生的触发脉冲。触发脉冲的产生由触发器的触发电平与触发极性选择开关决定。图7.12为测量时间间隔示意图。050%输入At050%输入Bt起始脉冲终止脉冲开启时间计数脉冲NTAB图7.12通用电子计数器测量时间间隔示意图7.3.6自检（自校）判断：只要满足：N=mKf或N=mKf±1说明电子计数器的工作基本正常。目的：检查仪器自身的逻辑功能以及电路的工作是否正常。KfTs闸门计数显示门控电路倍频器(m)晶振Tsfs=1/Ts分频器(1/Kf)KfTs图7.13通用电子计数器自检原理框图Ts/mKfTsTs/m7.4电子计数器的测量误差

7.4.1测量误差的来源1.量化误差定义：在量化过程中，由于闸门开启与计数脉冲输入在时间上具有不确定性，即相位随机性而产生的误差。特点1：量化误差是数字化仪器所特有的误差，是不能被消除的误差。特点2：无论计数值N为多少，每次的计数值总是相差±1，即ΔN=±1。别名：计数误差、±1误差计算：计数脉冲闸门开启时间T闸门开启时间T图7.14量化误差产生示意图计数脉冲N=8计数脉冲N=9返回2.触发误差定义：在整形过程中，因整形电路触发电平抖动或被测信号叠加有噪声和各种干扰信号等，使整形后脉冲周期不等于被测信号周期而产生的误差。

触发电平VB0A1A1′A2′A2干扰信号干扰信号Tx闸门开启闸门关闭ΔT1ΔT2Tx′=ΔT1+Tx+ΔT2被测信号图7.15触发误差产生示意图计算：影响：对测量周期影响大，对测频影响小。因测频时产生门控信号的是标准的晶振信号，叠加的干扰信号很小，故可忽略触发误差的影响；而产生计数脉冲的被测信号中虽有干扰信号，但不影响对计数脉冲的计数，故不产生触发误差。减小措施：提高被测信号信噪比，采用多周期测量法测量周期。3.标准频率误差Δfs/fs定义：由晶振信号不稳定等产生的误差。影响：一般情况下，不予考虑。7.4.2测量误差的分析1.测频误差测频量化误差：结论：要减小量化误差，应设法增大计数值N。即在A通道中选用倍频次数m较大的倍频器，亦即选用短时标信号；在B通道中增大分频次数Kf，亦即延长闸门时间；可以直接测量高频信号的频率，否则，测出周期后再进行换算。2.测周误差（1）量化误差测周量化误差为：结论：要减小测周量化误差，应设法增大计数值N。即在A通道中选用倍频次数m较大的倍频器，亦即选用短时标信号；在B通道中增大分频次数Kf，亦即延长闸门时间；可以直接测量低频信号的周期，否则，测出频率后再进行换算。中界频率：采用测频和测周两种方法进行测量，产生大小相等的量化误差时的被测信号频率。（2）触发误差总结：多周期测量法以及提高信噪比、选用短时标信号等方法，可以减小测量周期的误差。7.4.3频率扩展技术因受十进制计数器处理速度等的限制，通用电子计数器较适合测量低于700MHz的信号频率。频率扩展方法：外差降频变换法、预定标法、转移振荡器法、谐波外差变换法、取样法等，此类计数器可测量高达170GHz的信号频率，称之为数字频率计。1.外差降频变换法输入混频器调谐滤波器调谐倍频器放大器测频电子计数器晶振图7.16手动外差降频变换法扩频原理框图2.预定标法与通用计数器的区别：对被测信号进行N分频，即预定标后再测量。缺点：降低了单位时间内的分辨力，为了提高测量分辨力，如果十进制计数器位数足够多，通常对晶振进行Kf分频。放大整形输入Afx分频器（1/Kf）闸门十进制计数器晶振分频器（1/Kf）时基分频器显示Kf×0.1sKf×1sKf×10s图7.17预定标法数字频率计原理框图7.5通用计数器实例（NFC–100型）

7.5.1性能指标测试功能：测频、测周、累加计数、自检等。测量范围：测频范围为0.1Hz～100MHz；测周范围为0.4μs～10s；累加计数范围为1～108。输入特性：耦合方式为AC；电压范围为30mV～10V，不同量程范围不同；Ri≥1MΩ，Ci≤30pF。闸门时间：10ms、0.1s、1s、10s。时标（晶振）：时标信号周期为0.1μs。显示位数及显示器件输出7.5.2工作原理组成：输入通道、预定标分频器、主机测量单元、晶振和电源等。工作原理：主机测量单元直接计数频率为10MHz，在测量10MHz以上信号频率时，需要经过预定标分频器10分频后，送入主机测量单元。测量周期、累加计数时，输入信号经输入通道放大整形后，直接进入主机测量单元，预定标分频器不起作用。输入fx(Tx)输入通道预定标分频器主机测量单元晶振显示图7.18NFC-100型通用电子计数器组成框图主机测量单元由ICM7226B等组成。ICM7226B内包含多位计数器、寄存器电路、时基电路、逻辑控制电路以及显示译码驱动电路、溢出和消隐电路，可直接驱动外接的共阴极LED显示数码管，以扫描方式显示测量结果。当ICM7226B功能输入端和闸门时间输入端分别接入不同的扫描位脉冲信号时，其测量逻辑功能发生变化，分别完成“频率”、“周期”、“计数”、“自检”等功能。闸门时间在时标为10MHz时为10ms、0.1s、1s、10s，在其他时标时，闸门时间将随之作相应变化。溢出闸门μskHzICM7226B段码输出（a、b、c、d、e、f、g、dp）88位码输出（D1～D8）功能选择闸门时间（周期倍乘）频率自检周期计数10s1s0.1s10ms44晶振图7.19NFC-100型电子计数器主机测量单元逻辑框图abcdefgdp复位返回7.5.3电子计数器的使用及注意事项8位LED显示OVFLGATEμskHzMODELNFC–100MULTFUNCTIONCOUNTERSTBYONRESETTOTPERFREQCHKFREQMEASURETIME10ms0.1s1s10sPERIODAVERAGE1101001000FUNCTIONTIMEBASEOUT50Ω10MHz＞10VP-P1MΩ8MHz100MHz0.1HzINPUT图7.20NFC-100型电子计数器前面板图“功能键（FUNCTION）”包括“累加计数（TOT，Totality）”、“周期（PER，Period）”、“频率（FREQ，Frequency）”、“自检（CHK，Check）”四个按键，每个按键对应一种测量功能。功能键右边的四个按键在测量频率、周期时，分别称为“时基（FREQMEASURETIME）选择”、“周期倍乘（PERIODAVERAGE）选择”开关，用于选择测频时的闸门时间和测周时对被测信号的分频次数，二者与被测量的范围配合使用。使用注意事项：按照要求接入正确的电源。在使用电子计数器进行测量之前，对仪器进行自检，以初步判断仪器工作是否正常。被测信号大小必须在电子计数器允许的范围内。否则，若输入信号太小，将测不出被测量；若输入信号太大，则有可能损坏仪器。当“溢出（OVFL）”指示灯亮时，表明测量结果显示有溢出，不能漏记数字。在允许的情况下，尽可能使显示结果精确些，即所选闸门时间应长一些。在测量频率时，如果选用闸门时间为10s时，“闸门（GATE）”（或“采样”）指示灯熄灭前显示的数值是前次的测量结果，并非本次测量结果，记录数据时务必在采样指示灯变暗后进行。7.6数字相位计测量方法：示波器法、比较法、直读法等。原理：直读法测量。分类：相位–时间变换式相位计和相位–电压变换式相位计，瞬时值数字相位计和平均值数字相位计均属于前者。7.6.1瞬时值数字相位计原理：u1(t)、u2(t)由负变正通过零点时，由零比较器1、2产生脉冲信号u1'

(t)、u2'

(t)。设u1(t)超前于u2(t)，则u1'(t)、u2'(t)开启、关闭门控电路门控信号u3(t)。u3(t)的脉宽与两个信号的相位差对应，闸门开启时，时标信号经闸门至计数显示电路得到对应的相位差值。比较器1比较器2门控电路闸门计数显示时标信号u1(t)u2(t)u3(t)u4(t)置零图7.21瞬时值数字相位计原理框图u1′(t)u2′(t)Sttttt00000u(t)u1′(t)u2′(t)

u3(t)u4(t)u1(t)u2(t)tφtφ图7.22瞬时值数字相位计工作波形图计算式：

（7–3）tφ=NTs

（7–4）

（7–5）结论：瞬时值数字相位计属于相位–时间变换式数字相位计；测量两个信号的相位差时，必须事先确定出M值。7.6.2平均值数字相位计优点：能够减小干扰信号、量化误差等的不良影响，提高测量的准确度。比较器1比较器2门控电路1闸门1分频（1/Kf）门控电路2闸门2计数显示u1(t)u2(t)u1′(t)u2′(t)u3(t)u4(t)fsu5u6(t)图7.23平均值数字相位计原理框图频标fsu(t)u1′(t)u2′(t)u1(t)u2(t)u3(t)u4(t)u5(t)u6(t)Tx000000N∑T∑ttttttt图7.24平均值数字相位计工作波形图0计算式：T∑=mTx=KfTsKf=mTx/Ts结论：Δφ与NΣ成正比，N∑能直接表示结果。测量结果只决定于N∑，而与fx无关。选Kf为36×10n，N∑可直接表示相位差。第8章数据域测量与仪器知识要点：数据域测试方法逻辑分析仪的触发方式与显示方式逻辑笔与逻辑分析仪的应用。8.1数据域测量的基本概念8.1.1数据域测量的特点测量对象：数字电路。测量内容：数字系统或设备的故障检测、故障定位、故障诊断以及数据流的检测和显示。测量特点：运行正常的数字系统或设备的数据流是正确的；如果数据流发生错误，则说明系统或设备存在故障。结论：只要检测出输入与输出的对应数据流关系，即可明确系统功能是否正常、是否存在故障，并确定出故障的范围。8.1.2数字信号与数字系统的特点数字信号是非周期性的数字信号是按时序传输的数字信号是多通道传输的数字信息的传输方式多种多样数字信号的变化速度较快数字系统的故障判别与模拟系统不同8.1.3数据域测试仪器设备万用表和数字电压表逻辑笔和逻辑夹：逻辑笔和逻辑夹常用于测试简单数字电路的状态，即测出电路某一点的状态是高电平、低电平，还是脉冲。逻辑脉冲发生器（LG，LogicGenerator）逻辑分析仪：逻辑分析仪是多线示波器与数字存储技术发展的产物，又称为逻辑示波器。能够对逻辑电路、软件等的逻辑状态进行记录和显示，实现对逻辑系统的分析。示波器8.1.4逻辑笔和逻辑夹1.逻辑笔特点：结构简单、使用方便。功能：测试一般门电路和触发器的逻辑关系。电源存储开关绿灯红灯探针图8.1逻辑笔外形结构图具有记忆功能：测试某点为高电平时，红灯点亮，如此时移开测试点，红灯仍亮。不需要记录此状态时，扳动存储开关复位。两个插孔：各提供正、负选通脉冲，其中一个插孔与被测电路某一点相接，将随选通脉冲的加入而作出响应，如图8.2所示。表8-1逻辑笔的测试响应被测点逻辑状态逻辑笔响应稳定的逻辑“1”状态（+2.4V～+5V）红灯稳定亮稳定的逻辑“0”状态（0V～+0.7V）绿灯稳定亮在逻辑“1”与“0”中间状态（+0.8V～+2.3V）两灯均不亮单次正脉冲绿→红→绿单次负脉冲红→绿→红低频序列脉冲红绿灯交替闪烁逻辑笔的组成:时钟选通脉冲逻辑笔响应t0图8.2选通脉冲的作用指示灯驱动器指示灯输入保护“0”电平检测器“1”电平检测器“0”电平脉冲展宽“1”电平脉冲展宽探针判“0”判“1”网络图8.3逻辑笔电路框图2.逻辑夹特点：可同时显示多个端点的逻辑状态。电路结构：门判电路+5V1～16路路图8.4逻辑夹的1路电路结构图8.2数据域测试技术8.2.1数字电路的简易测试数字电路测试任务：确认数字电路电平的高低是否符合逻辑值的规定、逻辑关系是否正确，当输入变化时，电路翻转是否正确。示波器、逻辑笔和逻辑脉冲发生器等仪器一般用于测试简单数字电路。对于更简单的数字电路，可以利用小灯泡或发光二极管LED的亮暗以及蜂鸣器发声强弱检测被测电平的高低、逻辑“1”、逻辑“0”以及脉冲的有无等。8.2.2数据域测试方法穷举测试法：输入被测电路所有可能的组合信号，然后测试与每一种输入组合信号相对应的全部输出是否正确。优点：能测试出存在的全部故障。缺点：测试时间较长。伪穷举测试法：把一个大电路划分成多个子电路，对每个子电路进行穷举测试。随机测试法：随机数据流同时输入给被测电路和已知功能完好的参考电路；然后对两个输出进行比较；最后根据比较结果给出“合格/失效”的指示。8.2.3故障类型、故障测试及故障定位1.故障类型分类：物理故障和逻辑故障。物理故障：由于数字电路内部连线断开或短接、元器件不良等原因产生的故障。逻辑故障：数字电路内部逻辑控制不正确产生的故障。固定性故障或永久故障：不随时间改变的故障。间发故障或间歇故障：时隐时现的故障。2.故障测试与故障定位故障测试方法分类：静态测试和动态测试。静态测试：不加输入信号或加固定电位时的测试，以判断电路各点电位是否正确。适用场合：用于检测物理故障，根据有问题的电位点，可将故障定位于某个器件。动态测试：在输入各种可能的组合数据流，通过测试输出数据流情况判断输出逻辑功能是否正确。适用场合：用于检测复杂数字系统的逻辑故障。特点：既可检测系统逻辑故障，又可检测系统物理故障，并最终将检测出的故障定位于一定范围内。8.3逻辑分析仪定义：以单通道或多通道实时获取与触发事件相关的逻辑信号，并显示触发事件前后所获取的信号供软件及硬件分析的一种仪器。功能：能够用表格、波形或图形等形式显示具有多个变量的数字系统的状态，也能用汇编形式显示数字系统软件，从而实现对数字系统硬件和软件的测试。8.3.1逻辑分析仪的分类分类：逻辑状态分析仪和逻辑定时分析仪。逻辑状态分析仪：以二进制、十六进制或ASCⅡ码等状态显示被测逻辑状态，由被测系统提供采集数据的时钟脉冲，侧重于软件分析。逻辑定时分析仪：采用与示波器同样的方式显示信息，水平轴代表时间，垂直轴代表电压幅度，由自身提供数据采集时钟脉冲，用于硬件分析。8.3.2逻辑分析仪的组成比较器门限电平采样器存储器显示发生器触发器&延迟计数&控制电路&………………XYZ内部时钟外部时钟外部触发通道CH1CH2CHnCRT图8.6逻辑分析仪的组成框图……被测信号经输入探头形成并行数据送至比较器，输入信号大于门限电平时，比较器在相应线上输出经整形的高电平信号；反之，输出低电平信号。比较器输出信号送至采样器与触发器。采样器在内部时钟或外部时钟脉冲控制下对输入信号进行采样。采样信息按顺序、以“先进先出”的原则存放在存储器内。在满足触发条件的情况下，由触发器产生的脉冲用于启动或结束数据的采样与存储。8.3.3逻辑分析仪的触发方式功能：可同时采集多路信号，以便于对被测系统正常运行的数据流逻辑状态和各信号间的相互关系进行观测和分析。触发：由一个事件来控制逻辑分析仪的数据获取，即选择观察窗口的位置。触发事件：数据字、数据字序列或其组合、某一个通道信号出现的某种状态、毛刺等。通道触发：以某一通道状态作为触发条件的，即当选择的通道出现状态“1”或“0”时触发。毛刺触发：以毛刺作为触发条件，即在信号中出现毛刺时触发。毛刺：指在相继的时钟采样脉冲之间瞬间通过门限电压两次或多次的信号，它是非固有的偶尔发生的信号瞬态过程。字触发：以数据字作为触发条件，即当数据流中出现该触发字时触发，该数据字称为触发字。字触发方式:

1.组合触发(基本字触发方式)定义：当输入数据与设定触发字一致时，产生触发脉冲。每一个输入通道都有一个触发字选择设置开关，每个开关有三种触发条件：1、0和x，“1”表示高电平，“0”表示低电平，“x”表示任意值。CH0（1）CH1（0）CH2（x）CH3（1）触发信号图8.7四通道组合触发实例跟踪:通常把采集并显示数据的一次过程。最基本的触发跟踪方式分类：触发起始跟踪和触发终止跟踪。触发起始跟踪：当触发时即开始数据的采集和存储，直到存储器满为止，所以触发字位于窗口的开始位置。触发终止跟踪：触发时即停止数据的采集，触发前一直采集并存储数据，如果存储器满时仍未触发，则在存入最新数据的同时清除最早存储的数据，即存储器采用先进先出的形式。数据窗口触发字跟踪开始数据流（a）数据窗口触发字跟踪结束数据流（b）图8.8逻辑分析仪的基本触发跟踪方式返回2.延迟触发定义：在数据流中搜索到触发字时，不立即跟踪，而是延迟一定数量数据后才开始或停止存储数据，它可以改变触发字与数据窗口的相对位置。优点：设置延迟触发方式不同的延迟数，可以将窗口灵活定位在数据流中不同的位置。位置区别：触发起始跟踪延迟后，触发字出现后不立即跟踪，而是延迟时间到后才开始存储数据，故窗口中是触发字出现并延迟一段时间后的数据，触发字位于窗口外面。触发终止跟踪延迟后，如适当设置延迟数，可使触发字位于窗口中任何位置。图8.9逻辑分析仪的延迟触发方式（a）数据窗口触发字跟踪开始数据流延迟数数据窗口触发字跟踪结束数据流延迟数（b）返回3.限定触发触发定义：对设置的触发字再加限定条件的触发方式。如果选定的触发字在数据流中出现较为频繁，为了有选择地捕获特定的数据流，可以给触发字附加一些约束条件。优点：即使数据流中频繁出现触发字，只要这些附加条件未出现，也不能进行触发。触发识别限定条件与门数据流触发信号图8.10限定条件触发产生原理4.序列触发定义：序列触发的触发条件是多个触发字的序列，它是当数据流中按顺序出现各个触发字时才触发，即顺序在前的触发字必须出现后，后面的触发字才有效。说明：在两级序列触发中，第一级触发字为导引条件，数据流中出现第一级触发字后，如数据流中出现第二级触发字才能触发；如在导引条件未满足前，出现第二级触发字并不触发。图8.11序列触发第二级触发字无效导引条件使能第一级触发第二级触发字有效第二级触发（a）（b）子程序导引条件触发条件主程序数据流有的逻辑分析仪还具有计数触发、手动触发等方式。利用手动产生触发信号，可以在任何时刻加以触发，称之为手动触发。返回8.3.4逻辑分析仪的显示方式1.波形显示定义：将各通道采集的数据按通道以伪方波形式显示出在荧光屏上，如果某一采样时刻采得的数据为“1”，则显示为高；为“0”则显示为低，多个通道的波形可以同时显示。伪方波名称由来：由于显示的不是被测点信号的实际波形，而只是代表采样时刻信号的状态。优点：可很方便地显示出信号的时序关系，并可以将存储器内容按顺序显示或改变顺序显示。2.数据列表显示定义:将存储器内容以二进制、八进制、十进制或十六进制等各种数制形式显示在荧光屏上。图8.12波形显示图返回定义：数据列表显示方式是指将存储器内容以二进制、八进制、十进制或十六进制等各种数制形式显示在荧光屏上，如表8-2所示。表8-2